I primi 6 metodi per la stima dello scarico di alluvione

Questo articolo mette in luce i primi sei metodi per la stima della portata delle piene. I metodi sono: 1. Metodo Catchment-Run-Off 2. Formule empiriche 3. Metodo razionale 4. Area della sezione trasversale e pendenza del letto 5. Area della sezione trasversale e velocità come osservate sul sito del ponte 6. Record disponibili.

Metodo # 1. Metodo Catchment-Run-Off:

Il bacino idrografico è l'area di comando di un fiume dal quale il fiume riceve l'approvvigionamento idrico. L'area del bacino idrografico è calcolata dalla mappa del profilo e la portata dell'inondazione è stimata dalla formula "Run-off" .

Le precipitazioni sono misurate da pluviometri in millimetri. Dal registro giornaliero delle precipitazioni, viene determinata la pioggia annuale per una zona. Le precipitazioni annuali variano da luogo a luogo e quindi, le precipitazioni registrate per un periodo considerevole, diciamo cinquanta anni, sono molto utili per ottenere la massima piovosità registrata durante questo periodo.

La stima dello scarico massimo delle piene deve essere basata su queste precipitazioni massime registrate. La tabella 3.1 riporta il record delle precipitazioni in diverse parti dell'Unione Indiana per un periodo di 15 anni (1935-1949).

Il run-off è definito come la proporzione di acqua tra le precipitazioni totali nel bacino di utenza che raggiunge il corso d'acqua, il canale o il fiume. È inutile ricordare che l'intera quantità di pioggia non raggiunge il corso d'acqua poiché una certa quantità è immersa nel terreno per formare gli strati sottostanti di acqua, una certa quantità viene assorbita dalla vegetazione, una certa quantità viene evaporata e il resto scorre solo al canale o al fiume.

Come l'acqua piovana raggiunge il canale o il fiume dal bacino idrografico è mostrato in Fig. 3.1 e Fig. 3.2.

Il bacino idrografico del fiume o del fiume a monte del sito del ponte si ottiene marcando la linea della cresta della mappa del profilo e misurando l'area racchiusa da questa linea di cresta con l'aiuto di un grafico del piano o di una carta da lucido.

La possibilità di precipitazioni intense che ricadono simultaneamente sull'intera area di un grande bacino è minore e, pertanto, può essere presa una percentuale minore di deflusso. Un altro fattore importante che determina la percentuale di deflusso è la forma del bacino.

Fig. 3.1 e Fig. 3.2 mostrano due tipi di bacino. In un unico bacino normale, lo spartiacque è lungo e stretto con un numero di brevi affluenti che si uniscono al corso principale.

In tale bacino, temporali di minore durata che causano lo scarico massimo delle piene, non raggiungeranno il sito del ponte quasi nello stesso momento e in quanto tale deflusso in tale bacino di utenza sarà inferiore a quello di una forma a ventaglio di bacino.

In quest'ultimo caso, gli affluenti sono più lunghi e pochi di numero e quindi, il loro deflusso raggiungerà il sito del ponte quasi simultaneamente causando in tal modo la concentrazione del flusso durante le tempeste di minore durata. Pertanto, anche se il bacino di utenza, la quantità, la durata delle piogge ecc. Sono gli stessi per entrambi i tipi di bacino, il deflusso sul sito del ponte sarà più per bacino a forma di ventaglio che per il normale bacino singolo.

Il deflusso percentuale varia dal 20 al 70% a seconda della forma e della natura del bacino. Porosità del terreno; cioè, che sia sabbioso, argilloso o roccioso; grado di saturazione precedente; area coperta da foresta; presenza di laghi, stagni, paludi, riserve artificiali ecc .; determinare la percentuale di deflusso.

Pertanto, durante la stima dello scarico di piena dal bacino di utenza, i suddetti fattori devono essere debitamente presi in considerazione.

Come discusso in precedenza, il run-off dipende dai seguenti fattori:

(i) Grado di porosità e grado di saturazione del suolo nel bacino idrografico.

(ii) La forma e la pendenza del bacino idrografico.

(iii) ostacoli al flusso come radici di alberi, cespugli, ecc.

(iv) Grado di vegetazione.

(v) Stato di coltivazione.

(vi) Quantità di evaporazione.

(vii) Intensità delle piogge; Il run-off è maggiore se la stessa quantità di pioggia dice che 50 mm sono entro un brevissimo periodo di, diciamo, due ore di quello che si sviluppa per un periodo più lungo, diciamo, di 24 ore nel qual caso è sotto forma di pioviggina.

(viii) Quantità totale di precipitazioni nel bacino di utenza.

Metodo 2. Formule empiriche :

Lo scarico di piena può essere valutato utilizzando varie formule empiriche che coinvolgono l'area del bacino e un coefficiente che dipende dalla posizione del bacino.

i) Formula di Dicken

Questa formula (originariamente concepita per l'India del Nord ma ora può essere utilizzata nella maggior parte degli stati dell'India con la modifica del valore del coefficiente C) è data da:

Esempio illustrativo 1:

L'area di un bacino idrografico è di 800 kmq. L'area si trova nell'India occidentale a 150 km. dalla costa Stimare il massimo deflusso utilizzando le varie formule empiriche e confrontare gli scarichi di piena:

Questa formula è applicabile solo allo Stato di Madras (Tamil Naidu) e come tale fornisce un valore basso che non è considerato

Confronto di scarichi di inondazione elaborati da varie formule empiriche:

Metodo # 3. Metodo razionale:

Se R è la pioggia totale in cm per una durata di T ore allora l'intensità media delle precipitazioni, I in cm all'ora rilevata sulla durata totale della tempesta è data da

I = R / T (3.6)

Per un intervallo di tempo ridotto, t, l'intensità della pioggia, i, può essere più come può essere evidente dalla figura 3.3 poiché l'intensità media per un intervallo di tempo ridotto, t, è maggiore dell'intensità media per l'intero periodo di tempo, T.

La relazione tra io e io può essere mostrata come:

Dove C è una costante e può essere presa come unità per tutti gli scopi pratici.

Se t = un'ora e il corrispondente i è preso come i "e il valore di I è preso dall'equazione 3.6

Dall'equazione 3.9, i (precipitazioni di un'ora) possono essere risolti se sono note le precipitazioni totali R e la durata della tempesta più grave. Si consiglia di considerare un numero di forti temporali diffuse per un periodo prolungato e che può essere calcolato per ciascun caso e il valore massimo di U deve essere considerato come la pioggia di un'ora della regione per la stima dello scarico di piena.

Da un registro del Dipartimento meteorologico, Govt. dell'India, i valori di i o per vari luoghi dell'Unione Indiana sono riportati nella Tabella 3.2:

Il tempo di concentrazione è definito come il tempo impiegato dal run-off per raggiungere il sito del ponte dal punto più lontano del bacino che viene definito come il punto critico.

Poiché il tempo di concentrazione dipende dalla lunghezza, dalla pendenza e dalla rugosità del bacino, viene stabilita una relazione con questi fattori come di seguito:

Dove T c = Tempo di concentrazione in ore.

H = Cadere in livello dal punto critico al sito del ponte in metri.

L = Distanza dal punto critico al sito del ponte in Km.

I valori di H e L si possono trovare dalla mappa del contorno del bacino idrografico.

L'intensità critica delle precipitazioni, I c, corrispondente al tempo di concentrazione, T c, è derivata dall'equazione 3.9 considerando I = I c corrispondente a T = T c .

Stima del run-off:

Un centimetro di pioggia su un'area di un ettaro dà un run-off di 100 cu. m all'ora. Pertanto, una pioggia di I cm all'ora su un'area di un ettaro causerà un deflusso di 100 AI c cu. m all'ora.

Se si considerano le perdite dovute all'assorbimento, ecc., Il deflusso è dato da:

Q = 100 PI C A cu.m all'ora

= 0, 028 PI C A cu.m / sec (3, 12)

Dove P = Coefficiente a seconda della porosità del suolo, copertura vegetale, stato iniziale di saturazione del suolo, ecc.

I valori di P per le varie condizioni dell'area del bacino di raccolta indicati nella tabella 3.3:

Oltre al coefficiente, P, un altro coefficiente, f, è introdotto nella formula per il calcolo del deflusso. Man mano che il bacino di utenza diventa sempre più grande, la possibilità di raggiungere contemporaneamente il deflusso verso il sito del ponte da tutte le parti del bacino è sempre meno e in tal modo il valore di f viene gradualmente ridotto man mano che il bacino di utenza aumenta.

La tabella 3.4 fornisce il valore di f nell'equazione 3.13 derivata dall'equazione 3.12 con l'introduzione del coefficiente, f, al suo interno.

Q = 0, 028 PfI c A cu.m / sec. (3.13)

Esempio illustrativo 2:

Il bacino idrografico di un fiume è di 800 mq. Km. ed è composto da terreno sabbioso con una fitta copertura vegetale. La lunghezza del bacino è di 30 Km. e i livelli ridotti del punto critico e del sito del ponte sono rispettivamente di 200 me 50 m.

Scopri il picco di scarico della tempesta con il Metodo Rational supponendo che la pioggia in 5 ore sia di 20 cm. Quale sarà il picco di scarico se il bacino idrografico è di terra argillosa leggermente coperto o di roccia ripida ma boscosa?

Scolo massimo del picco, dall'equazione 3.13

Q = 0, 028 Pfl c A cu.m / sec

Nel presente caso per un bacino di utenza composto da terreno sabbioso con vegetazione fitta,

A = 800 kmq = 80.000 ettari; P dalla tabella 3.3 = 0.10; f dalla tabella 3.4 = 0, 60; I c = 2, 98 cm / ora

. . . Q = 0, 028 PfI c A = 0, 028 x 0, 10 x 0, 60 x 2, 98 x 80, 000 = 400 cum / sec.

Quando il bacino idrografico è coperto da un terreno argilloso, P dalla tabella 3.3 = 0.50, i valori di A, f e I c rimangono come prima.

. . . Q = 0, 028 PfI c A = 0, 028 x 0, 50 x 0, 60 x 2, 98 x 80, 000 = 2003 cum / sec.

In caso di bacino di utenza con roccia ripida ma boscosa, P dalla tabella 3.3 = 0, 80

. . . Q = 0, 028 PfI c A = 0, 028 x 0, 80 x 0, 60 x 2, 98 x 80, 000 = 3204 cum / sec.

Pertanto, si può notare dall'esempio illustrativo che il picco di deflusso dipende molto dalla natura del bacino, altri fattori rimangono gli stessi e varia da 400 mc / sec a 3204 mcg / sec quando il grado di porosità e l'assorbimento del bacino idrografico è molto alto o molto basso.

Il Metodo Rational è, quindi, molto realistico e considera tutti i fattori rilevanti che regolano il picco di deflusso. Le formule empiriche non considerano questi fattori eccetto alcuni aggiustamenti nel valore del coefficiente C e quindi non sono molto realistici.

Metodo n. 4. Area della sezione trasversale e pendenza del letto :

Con questo metodo lo scarico è calcolato dalla formula di Manning,

Dove A = l'area della sezione trasversale della corrente misurata da HFL

n = il coefficiente di rugosità.

R = profondità media idraulica e uguale al rapporto tra area della sezione trasversale, perimetro bagnato, P

S = la pendenza del letto del flusso misurata su una distanza ragionevolmente lunga.

In una corrente con banchi e letto non erodibili, la forma e le dimensioni della sezione trasversale rimangono praticamente le stesse durante un'alluvione come in tempi normali e quindi, la normale sezione trasversale e il perimetro possono essere utilizzati nel calcolo dello scarico .

Ma in un corso d'acqua che scorre attraverso la regione alluvionale, l'area della sezione trasversale e il perimetro possono cambiare durante le piene più elevate a causa della purga delle sponde e del letto e come tale nella stima della portata massima, occorre determinare la profondità della purga in primo luogo e i valori dell'area della sezione trasversale e del perimetro possono quindi essere calcolati prendendo i livelli del letto a determinati intervalli.

Il valore del coefficiente di rugosità dipende dalla natura del letto e dalla sponda del flusso e si richiede una cura adeguata nella scelta del giusto valore di questo coefficiente per ottenere lo scarico corretto. Alcuni valori del coefficiente di rugosità, n, sono riportati nella tabella sottostante per vari tipi di condizioni superficiali.

Esempio illustrativo 3:

Un fiume ha i livelli del letto all'alluvione più alta a determinati intervalli come mostrato in Fig. 3.4. La RL dei letti più bassi a 500 m a monte e 500 a valle sono rispettivamente 107, 42 me 105JO m. Calcola la portata massima di piena se il fiume ha banchine abbastanza pulite ma diritte ma con qualche erbaccia e pietre.

Soluzione:

L'area della sezione A di HFL può essere rilevata dividendo l'area in strisce come BPC, PCDO, ODEN ecc .:

Il perimetro bagnato P in HFL è la linea di base BCDEFGHI che è la somma della lunghezza della linea BC, CD, DE ecc. Queste lunghezze possono essere elaborate come sotto (Vedi Fig. 3.5):

Pendenza del letto, S, è la differenza di livello del letto più basso a 500 m a monte e 500 m a valle divisa per la distanza.

Metodo # 5. Area della sezione trasversale e della velocità osservate sul sito del ponte :

L'area della sezione trasversale viene misurata prendendo una serie di livelli del fiume a HFL a determinati intervalli. La velocità in questo caso è determinata sul posto misurando direttamente la velocità al posto del calcolo teorico dalla pendenza del letto ecc.

Per misurare direttamente la velocità, il fiume è diviso in poche sezioni in larghezza e quindi la velocità per ogni sezione è determinata dal galleggiante di superficie posizionato al centro di ciascuna sezione.

Il tempo impiegato dal galleggiante per coprire una distanza fissa è notato da un cronometro e la distanza percorsa dal galleggiante divisa per il tempo impiegato è la velocità superficiale del flusso. Tale velocità superficiale deve essere determinata per ciascuna sezione e il valore medio della ponderazione è ottenuto ai fini della stima della portata dell'inondazione.

La velocità è minore nelle vicinanze del letto e dei banchi e significa alla linea centrale della corrente in un punto 0, 3 d al di sotto della superficie dove, d, è la profondità dell'acqua (vedi Fig. 3.6). Se V è la velocità in superficie, V b è la velocità in basso e V m è la velocità media allora la loro relazione può essere stabilita nell'equazione seguente,

V m = 0, 7 V s = 1, 3 V b (3, 15)

Dopo la determinazione della velocità media della corrente, la scarica di piena è ottenuta da;

Q = AV m (3.16)

Metodo # 6. Record disponibili :

In alcuni casi può essere possibile ottenere la massima portata di riflusso misurata nei siti di diga o di sbarramento. Questo valore può essere confrontato con il valore teorico elaborato e un valore finale può essere selezionato. Lo scarico di alluvione così ottenuto, sebbene molto realistico, soffre di un inconveniente cioè. l'età del record, dal momento che gli sbarramenti o gli sbarramenti sono per lo più di recente costruzione.

Lo scarico di piena deve preferibilmente essere il valore registrato massimo di 100 anni per ponti importanti e valore registrato di 50 anni per ponti meno importanti. I termini "valore di 100 anni" e "valore di 50 anni" sono definiti come scariche di picco momentanee che si verificano "in media" una volta ogni 100 anni o una volta ogni 50 anni.

L'espressione "in media" indica tutte le scariche di picco osservate in un periodo di 100 anni o 50 anni a seconda dei casi e viene presa la media dei picchi.